ZL50F系列輪式裝載機總裝線生產建模與仿真優化研究

趙浪波，馬國豐

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804;2.上海保監局，上海 200135）

0 引言

輪式裝載機是土石方施工中的主要機械，主要用來鏟、裝、卸、運土和石料一類散狀物料，具有作業速度快，機動性好，操作輕便等優點。目前輪式裝載機行業快速發展，全國裝載機生產企業有130多家，其中專業生產企業有30多家，由此帶來激烈的行業競爭。輪式裝載機的激烈競爭集中反映在降低生產成本上，即以價格優勢去爭奪市場。圍繞著成本的降低，如何在有限的資源下及時發現總裝配環節的瓶頸工序，使裝配活動流暢，提高總裝線生產效率，已成為決定企業競爭力的重要因素。

國內外利用仿真軟件進行總裝生產線建模與優化已有較多研究。文獻［1］采用多規則多目標模擬退火算法對直線和U型生產線進行仿真建模研究;文獻［2］采用遺傳仿真模型研究生產裝配線的庫存和物料搬運問題;文獻［3］同樣采用模擬退火法對混合模型裝配線進行了研究;文獻［4］在Flexsim仿真平臺上對混流生產線上不同的投產順序進行仿真;文獻［5］利用eM－Power建立了混流轎車總裝配線的仿真對象模型，并開展了仿真優化研究。

本文在分析某工程企業ZL50F系列輪式裝載機總裝線現狀的基礎上，進行生產線建模和仿真分析，找出限制日產量進一步提高的瓶頸工位，并據此提出改進方案，來調整工位負荷，縮短節拍，平衡工人的勞動強度，最終達到更好地進行產能規劃、消除瓶頸工序、提高設備利用率、提高生產效率的目的。

1 輪式裝載機總裝線現場調研與數據采集

通過對ZL50F裝載機總裝線工序、工位、人員和資源等情況的詳細分析及數據測量，獲得生產建模所需的總裝線裝配工序作業時間與工人分配情況，總裝線裝配工序之間的先后順序約束關系以及總裝線裝配工序作業資源需求等信息。

1.1 總裝生產線裝配工序

該ZL50F系列輪式裝載機總裝生產線共由19個工位組成，其中有16個工位分布在車間內，屬于需要進行仿真優化的工位對象。經過統計，整個總裝線共有工序69道。共有操作工人38人在總裝線上工作。另外，總裝線上共有大小行車11臺，氣槍、扳手若干。

以前5個工位為例，每個工位上工序信息如表1所示（工序名后數字為相應工序號）。

表1 總裝線裝配工序表（前5個工位）

1.2 總裝線裝配工序作業時間與工人分配情況

在詳細了解總裝線裝配工序的基礎上，對每道工序參數進行數據測量，獲得總裝線每道裝配工序作業時間，作為生產建模的重要參考依據之一。表2所示為工位1的前三道工序的作業時間以及工人分配情況表。數據測量過程中對每道工序作業時間進行5次測量，取均值作為該工序所需時間。對于上線2，裝下平衡塊3，裝后平衡塊4這三道工序需要的平均時間分別為1:1.6，5:31.3和4:33。同時工位1的這三道工序都有工人1，工人2完成。

表2 工序作業時間與工人分配情況表（工位1前三道工序）

1.3 總裝線裝配工序先后順序約束關系

表3示意性說明了工序與工序間存在的裝配工藝后順序約束關系。比如，裝下平衡塊和安裝動臂缸這兩道工序必須在完成上線這道工序以后才能進行。

表3 總裝線裝配工序先后順序約束示意表

1.4 總裝線裝配工序作業資源需求關系

表4是每道工序占用的資源種類及數量表。這里的資源包括:裝配工具、吊具、工裝、設備等。后續的工序可能會因為所需資源被前面的工序所占用，而不得不進入等待狀態。所以，各道工序對資源的不同需求情況，也是建模需要考慮的限制因素之一。

表4 總裝線裝配工序作業資源需求示意表

2 ZL50F系列輪式裝載機總裝線生產建模

在對ZL50F系列輪式裝載機總裝線進行詳細調研和數據采集的基礎上，對該總裝線進行了分析，并根據其特點，建立了總裝線的計算機仿真模型。

2.1 ZL50F系列輪式裝載機總裝線特點分析

通常生產線的計算機仿真都以工位為對象進行建模，把該工人在該工位所需完成作業的作業時間累加，作為該工位的作業時間。然而通過分析輪式裝載機總裝線工序工位情況，即一個工位含有多道工序，而且每道工序可能由不同的工人來完成，因此一個工位上有些工序之間存在相互約束關系，使得工位上工序的作業存在串行與并行兩種情況。同時由于可能存在工人分配及資源的約束，原來可并行作業的工序實際上以串行方式進行作業。這些情況使得在一個工位中工序之間的串行與并行關系很難確定，因而工位上負荷也很難確定。因此，很難簡單地用工位為對象來建模。而且由于一個工位上存在多個工人操作，簡單地用工位為對象來建模很難反映出每個工人的工作量。因此，以工位作為最小單元來建模，不能很好體現裝載機總裝線的特點。

2.2 基于工序的總裝線建模原理

在實際裝配線上，首先要將裝載機傳送到總裝線上，然后按規定順序在各個工位中移動（裝上相應的零部件），直至下線（即從第一個工位走到最后一個工位），從而完成一臺裝載機所有裝配作業任務，形成一臺整車。在整個過程中，所有需要裝配的工序均被執行一遍。那么基于工序的總裝線建模方法是以工序為對象，以工序先后順序關系為約束，建立如圖1所示的總裝線的工序網絡結構圖。讓裝載機從第一道工序上線開始，遍歷總裝線上所有其他工序，直至下線，這也等同于工位建模法中從第一工 位走到最后一個工位，完成整個裝配作業過程。

圖1 ZL50F系列輪式裝載機總裝線工序網絡結構圖

2.3 ZL50F系列輪式裝載機總裝線生產建模

根據總裝線特點，在eM－Plant［6］仿真環境下，以工序作為最小單元來建立總裝線數學模型，通過給工序控件設定一系列屬性（分配到哪個工位上、由誰來完成，作業時間，作業內容等等）和操作規則（如要求進行裝配的工件必須已到達工序所分配的工位上，裝配時所需的資源，如行車，工具、空間位置等均需得到滿足），來模擬實際裝配線上工件在工位上裝配、移動。

a）輪式裝載機總裝線建模控件

工序控件是模型中的最基本單元，用來模擬實現實際工序裝配操作。該控件的屬性包括工序的名稱，分配的工位位置，后續操作內容，緩沖容量，工序的作業時間以及處理內容等幾個方面。對該類控件的控制流程如圖2所示。

圖2 工序控件的控制流程

裝配線走停控件用來設定裝配線的節拍，作業時間與走動時間，并在節拍的作業時間到達時，判斷是否所有工位上的作業內容均已完成，根據判斷結果來推進工件走向下一工位或是停線，等待直至所有工位上的作業內容均告完成。裝配線走停控件的屬性包括控件名稱，節拍的作業時間，節拍的走動時間以及后續操作內容等方面。對裝配線走停控件的控制流程如圖3所示。

圖3 裝配線走停控件的控制流程

除上述兩種主要控件外，模型中還需要用到以下一些控件:仿真時鐘、工件生成序列、工件生成器、成品站、緩沖區、裝配器、衍生器、圖表顯示器、工人管理器、工人、工作站、工件等。

b）輪式裝載機總裝線的計算機仿真模型

通過開發與應用工序、裝配線走停、工件生成序列等控件，以工序為對象，以工序的先后作業順序關系及所需的作業資源為約束，建立總裝線工序網絡結構圖。給每個工序控件的工位號，作業時間，操作工人等屬性賦以相應的值;在工序資源約束表中，給每道工序設定行車、工具、空間位置等相應資源約束;在工件生成序列控件中，設置工件的產生模式;在裝配線走停控件中，設定工作時間、走動時間等裝配線節拍信息。設定完所有屬性信息后，就可獲得如圖4所示的輪式裝載機總裝線的計算機仿真模型。

對建立的總裝線計算機仿真模型進行一個月22個工作日，每日1班8 h的生產過程仿真實驗測試，獲得以下性能指標的平均統計結果:1）平均日產量;2）每個工位的工作時間與空閑時間所占比例;3）每個工人的工作時間與空閑時間所占比例。該統計結果與實際總裝線生產情況基本一致，說明了建立仿真模型的正確性。

圖4 ZL50F系列輪式裝載機總裝線最終仿真模型

3 總裝線仿真模型的運行、分析及改進方案提出

在完成ZL50F系列輪式裝載機總裝線的計算機仿真建模后，運行整個仿真模型，可得到工位負荷，工人負荷等一系列仿真結果。通過對仿真結果的分析，找出影響日產量提高的原因，并提出有針對性的改進方案。同時建立改進方案對應的總裝線改進仿真模型，并將仿真結果與原有結果進行比較，以驗證改進方案可行性。

3.1 總裝線模型仿真結果

1）工位負荷仿真及分析

現行生產線是在節拍為17 min下運行的，其中走動2 min30 s，工作14 min30 s。圖5所示為仿真獲得的每個工位負荷圖。其中工位負荷最為嚴重的為1工位，其作業時間為11 min41 s;其次為11工位，作業時間為11 min 35 s;大部分工位作業時間分布在8 ～10 min 之間（4，5，8，9，10，12，13 與14工位）;另有少數工位的作業時間分布在6～7 min之間（2，6，7與15工位）;其中2工位的作業時間最短，為2 min 36 s。由此可知，現有總裝線工位負荷不均且有些工位未處于滿負荷工作狀態，存在工位負荷改進的可能。

圖5 工位負荷圖（節拍為17 min）

2）工人負荷仿真及分析

在現行的生產線仿真模型下，每個工人的負荷如圖6所示。其中總裝線上最忙的工人是wo27，其工作時間大約為整個節拍時間（17 min）的70%，即約為12 min;第二忙的工人為wo1，其工作時間約為整個節拍時間的68%;其余的如 wo22，wo23，wo24，wo25（wo26），wo28，wo29（wo30），wo31，wo33，wo34的工作時間處于50% ～60%之間;wo3，wo9，wo16，wo32，wo35 的工作時間處于 40% ～50%之間;剩下的大都處于20% ～30%，只有wo12的工作時間小于20%，wo7的工作時間小于10%。由此可知，現有總裝線工人負荷極其不均，總裝線上有一半工人的工作負荷小于50%，勞動強度明顯不足。

圖6 工人負荷圖

3.2 改進方案的提出

根據總裝線工位及工人負荷的統計與分析仿真情況，首先對工序進行了適當調整重分配。對于在作業上有前后約束關系的工序，分配到不同的工位上，使原本只能串行作業的工序可并行地作業，這樣大大減少了工位負荷，有利于節拍的進一步壓縮和生產率的進一步提高。其次，對單道作業時間較長又不能簡單地通過增加工人或是操作設備來降低作業時間的工序，進行進一步適當拆分，重新分配到不同工位上，這樣可以進一步縮短整個總裝線節拍。比如當生產節拍壓縮到14min時（其中走動2 min 30 s，工作11 min 30 s），現有1工位與11工位的作業時間均超過11 min 30 s，成為瓶頸工位。這可通過重分配及拆分工序，實現這兩個工位作業時間的壓縮。

圖7 改進后總裝線工位負荷圖

通過對工序、工位以及使用資源的合理調整后，對調整后的方案進行了模擬仿真。圖7所示為調整后的總裝線工位負荷圖，可見多個工位的負荷發生了變化，也更趨于平衡。圖8所示為調整后的總裝線工人負荷圖，大部分工人在總裝線上的工作時間也較平衡。相應的瓶頸工位1和工位11在改進方案中分別從原來的11 min 41 s和11 min 35 s到改進后的11 min 05 s和7 min 35 s。

圖8 改進后總裝線工人負荷圖

對改進后的總裝線模型仿真運行一個月（總計工作日為22 d，每天實際工作8 h），折合時間為176 h。仿真時鐘以每天24 h計，折合為6 d13 h20 min。仿真得到的結果如表5所示生產線總產量是739臺，單臺耗時3 h20 min，每小時下線數量為4.79臺。日產量為38.32臺。仿真優化后的生產線生產率大大提高，由原來的23臺/d提高到理論上的38臺/d，提高生產效率65%。

表5 改進后總裝線仿真結果

4 結語

本文研究了ZL50F系列裝載機總裝線生產建模與仿真優化方法。在對該生產線工位、工序情況分析和參數采集的基礎上，采用以工序為基本對象的建模方法進行生產線建模。通過模型仿真分析各工位，工序負荷及工人負荷情況，確定限制日產量提高的因素。據此提出改進方案，對現有瓶頸工序進行適當重分配和拆分。仿真結果表明，優化后總裝線生產率提高了65%。

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［4］趙建輝，王紅軍.基于Flexsim的混流裝配線投產順序的仿真［J］.微計算機信息，2007，8（3）:29-31.

［5］曹振新，朱云龍，李富明.混流轎車總裝配線的動態規劃與仿真優化研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12（4）:526-532;551.

［6］eM-Plant Help Manual，www.emplant.com/.